RICERCA ITALIANA     

Studio e sperimentazione di un sistema di comunicazione ad onde convogliate in impianti elettrici navali

Università di Pisa

Abstract

Obiettivo di questo progetto è lo sviluppo e la verifica sperimentale di un sistema innovativo per la trasmissione di dati in linee di trasmissione di energia elettrica per impianti elettrici navali. Verrà investigata la affidabilità e l’efficienza della trasmissione dei dati di comando e controllo delle apparecchiature elettriche a bordo di navi ed imbarcazioni da diporto utilizzando l’unico cavo normalmente usato per la trasmissione dell’energia elettrica invece di impiegare un cavo appositamente dedicato per ogni utilizzatore elettrico di bordo. Si consentirebbe quindi di ridurre drasticamente il numero di cavi a bordo con un enorme risparmio sia di ingombro che dei costi di progettazione del cablaggio dei cavi e degli impianti elettrici.
Questa soluzione rappresenta una tecnica assolutamente innovativa rispetto alle soluzioni attualmente utilizzate in ambito nautico in cui si trovano ormai decine di cavi dedicati al controllo elettronico remoto dei dispositivi elettrici ed elettromeccanici di bordo e con la prospettiva di un aumento ancora maggiore della presenza di cavi a bordo dato che i dispositivi utilizzatori elettrici moderni necessitano di un pilotaggio elettronico in remoto.
Le attività del progetto sono caratterizzate da una forte complementarietà e sinergia delle competenze apportate dalle cinque Unità di Ricerca (UR) partecipanti e per questo si prevede una stretta collaborazione tra esse in modo da favorire lo sviluppo delle attività di ricerca che prevedono il raggiungimento di obiettivi intermedi necessari per conseguire le finalità del progetto. Le attività di ricerca saranno articolate in sette Gruppi di Lavoro (GL) ognuno con una UR responsabile (individuata in base alle proprie competenze caratterizzanti) dello svolgimento delle specifiche attività del GL. Gli obiettivi da conseguire sono organizzati secondo uno schema temporale articolato in tre fasi e con verifiche intermedie, al fine di conseguire il massimo della efficienza della ricerca.
Questo consentirà di evidenziare chiaramente le caratteristiche di complementarietà e sinergia del progetto secondo uno schema già efficacemente attuato dalle cinque UR in precedenti progetti di ricerca, ad esempio il PRIN 2003, in cui esse hanno dato prova di sapere formare un gruppo di lavoro coeso ed efficace.
Aspetto fondamentale del progetto è l’attività sperimentale che sarà possibile effettuare grazie alla collaborazione di una azienda del settore nautico. Infatti dopo la fase di progettazione del sistema di trasmissione dati con tutti i suoi componenti, seguirà una verifica sperimentale delle sue prestazioni svolta su imbarcazioni nautiche da diporto.
Questo sarà possibile grazie alla disponibilità della “Benetti Yachts”, una delle aziende leader nella produzione di yachts con sede a Livorno, che ha dato piena adesione alla sua partecipazione nel progetto. Personale della “Benetti Yachts” ha aderito all’Unità di Pisa a conferma del reale interesse di questa problematica in ambito nautico sia per ridurre i costi di cablaggio che per aumentare lo spazio utile per i passeggeri a bordo.
La “Benetti Yachts” fornirà le informazioni necessarie nella fase iniziale per progettare correttamente il sistema di trasmissione dati in impianti elettrici navali; succesivamente essa consentirà di sperimentare il prototipo messo a punto nello sviluppo del progetto sia su imbarcazioni in cantiere durante la loro fase di allestimento, che durante le prove di navigazione a mare prima della consegna al committente. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marco Raugi Università degli Studi di PISA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Al fine di studiare e realizzare un sistema di trasmissione dati ad onde convogliate in impianti elettrici navali nel presente progetto di ricerca sono stati evidenziati 6 fattori principali:

1 - La definizione di un modello di canale di trasmissione adeguato a schematizzare la trasmissione di segnali in impianti elettrici navali
2 - La conoscenza e classificazione del rumore presente nel canale
3 - La limitazione delle perdite di potenza nell’accoppiamento tra i trasmettitori/ricevitori ed il canale
4 - La conoscenza della variazioni del canale durante la trasmissione dei dati
5 - La compatibilità elettromagnetica del sistema
6 - L’ottimizzazione dei bit nei segnali trasmessi

Il punto 1 è stato evidenziato per fornire il supporto teorico necessario per ottenere la migliore soluzione possibile agli effettivi problemi pratici elencati nei punti 2-6.

Per ognuno di questi punti il progetto si pone i seguenti obiettivi:
Punto 1
- Definire parametri misurabili che consentano di caratterizzare il comportamento del canale in un ampia banda di frequenze e situazioni operative tipiche del funzionamento nautico. Questi parametri dovranno essere definiti in modo tale da potere essere successivamente inseribili in un modello teorico di canale
- Definire le tecniche e procedure per misurare i parametri precedentemente definiti
- Definire il modello di canale di trasmissione “tipo” da utilizzare per simulare la trasmissione dati in impianti elettrici navali
- Implementare un modello del canale di trasmissione che venga introdotto nel simulatore del canale di trasmissione ed utilizzato per i lavori relativi agli altri argomenti

Punto 2
- Classificare il rumore presente in impianti elettrici navali in base alle caratteristiche nel dominio del tempo e della frequenza
- Individuare un modello matematico del rumore da introdurre nel simulatore del canale di trasmissione
- Implementare un modello di rumore che venga introdotto nel simulatore del canale di trasmissione ed utilizzato per i lavori relativi agli altri argomenti

Punto 3
- Sviluppare circuiti di accoppiamento con impianti elettrici navali che ottimizzino le prestazioni del sistema PLC
- Sviluppare nuovi circuiti di accoppiamento a topologia variabile che seguano le variazioni del tempo del canale di trasmissione

Punto 4
- Sviluppare uno stimatore in tempo reale in grado di seguire le variazioni nel tempo della risposta in frequenza del canale di trasmissione

Punto 5
- Definire parametri legati a segnali condotti che descrivano e quantifichino i campi elettromagnetici emessi dai segnali PLC in impianti elettrici navali

Punto 6
- Definire algoritmi di ottimizzazione dei bits nei segnali PLC trasmessi in impianti elettrici navali

A conclusione del progetto verrà effettuata una campagna di prove sperimentali su imbarcazioni messe a disposizione dalla Benetti "Yachts".
A tal fine obiettivi del progetto sono:

- Implementazione di un simulatore di trasmissione dati PLC in impianti elettrici navali
- Sviluppo di un prototipo per comunicazione PLC in impianti elettrici navali
- Sperimentazione del prototipo a bordo di imbarcazioni <<<

Risultati parziali attesi

Come già descritto in precedenza in questo progetto verranno considerati segnali codificati con la tecnica di modulazione OFDM ormai largamente affermata come tecnica più robusta per la trasmissione in canali selettivi in frequenza e tempo varianti (si veda i Proceedings della conferenza annuale IEEE ISPLC disponibili su IEEEXplore o libri di testo come K. Dostert "Powerline Communications" Springer-Verlag). Le linee di trasmissione dell'energia elettrica hanno infatti un comportamento trasmissivo molto simile a quello del canale di trasmissione utilizzato per comunicazioni wireless. Di conseguenza i risultati, ormai consolidati in quel settore di comunicazioni, possono essere utilizzati anche in ambito "powerline".
Quindi l’efficienza della trasmissione dati in impianti elettrici navali risulta determinata principalmente da 5 fattori specifici e legati ai componenti di questo particolare sistema:
1-L’ottimizzazione dei bits nei segnali trasmessi
2-La limitazione delle perdite di potenza nell’accoppiamento tra i trasmettitori e ricevitori ed il canale
3- La conoscenza e classificazione del rumore presente nel canale
4-La conoscenza della variazioni del canale durante la trasmissione dei dati
5- La compatibilità elettromagnetica del sistema

Per mettere a punto un sistema di trasmissione dati innovativo, come quello in ambito navale proposto in questo progetto, sono stati quindi previsti Gruppi di Lavoro (GL) ognuno con a capo una UR responsabile (URR) in modo tale da associare le tematiche elencate precedentemente ai diversi GL ognuno con obiettivi e risultati attesi specifici

GL1 Modello del canale

Risultati parziali attesi
Dopo 5 mesi (Check Point Intermedio 1)
Riunione di coordinamento per la presentazione delle attività svolte e programmazione delle attività successive. Riassunto scritto descrittivo della riunione
Dopo 8 mesi (Fine delle attività del GL1)
Relazione descrittiva del modello teorico di impianto elettrico navale “tipo” individuato
Relazione descrittiva delle prove sperimentali di risposta in frequenza effettuate su imbarcazioni

Innovazione e campi applicativi
La definizione di parametri misurabili che consentano di caratterizzare il comportamento della trasmissione di segnali in un impianto elettrico navale è un risultato innovativo per applicazioni su imbarcazioni nautiche. Inoltre questi parametri saranno definiti in modo tale da potere essere successivamente inseribili in un modello teorico di canale. Questo consentirà di definire un modello di canale di trasmissione “tipo” per un impianto elettrico navale da potere implementare in un codice per simulazioni numeriche.
Per individuare un modello realistico ed affidabile è fondamentale la collaborazione con Benetti Yachts, che fornirà gli schemi elettrici dettagliati degli impianti e dei carichi da essa installati sulle proprie imbarcazioni. In base a questi schemi, anche mediando statisticamente le varie tipologie di impianto, verrà individuato un modello “tipo” di impianto elettrico navale che consenta di simulare la risposta di ampiezza e fase, riflessioni e distorsioni, attenuazione del segnale e variazioni di impedenza.
Particolarmente significativa è la caratteristica di misurabilità dei parametri che renderà sperimentalmente verificabilità la efficienza del modello. La verifica sperimentale verrà svolta su imbarcazioni messe a disposizione dalla “Benetti Yachts”
Per completare il modello, durante le prove sperimentali, ove possibile, verranno caratterizzati elettricamente anche alcuni tra i carichi elettrici ed elettromeccanici “tipici” in ambito navale come i motori di propulsione o i sistemi di raffreddamento, ed anche quelli a servizio di equipaggio e passeggeri come i sistemi di illuminazione ed intrattenimento o i dispositivi per lavanderia e cucina. Anche questo tipo di caratterizzazioni (svolte per utilizzatori domestici come TV, forni, ventilatori) nella bibliografia corrente non risultano essere mai state effettuate in ambito nautico.
Questi risultati sono molto importanti in quanto forniscono uno strumento fondamentale per i lavori dei GL successivi al fine di ottimizzare tutti gli aspetti legati ai 5 fattori che determinano l’efficienza di un sistema PLC elencati precedentemente.


GL2 Caratterizzazione del rumore

Risultati parziali attesi
Dopo 5 mesi (Check Point Intermedio 1)
Riunione di coordinamento per la presentazione delle attività svolte e programmazione delle attività successive. Riassunto scritto descrittivo della riunione
Dopo 8 mesi (Fine delle attività del GL2)
Relazione descrittiva del modello teorico di rumore tipicamente presente in un impianto elettrico navale
Relazione descrittiva delle prove sperimentali di rumore effettuate su imbarcazioni

Innovazione e campi applicativi
La classificazione del rumore presente in impianti elettrici navali non è mai stata investigata in ambito di applicazioni su imbarcazioni nautiche. Per ottenere tale classificazione sarà fondamentale effettuare una serie di misure sperimentali su imbarcazioni messe a disposizione da BE, per il rilievo del rumore introdotto dalle apparecchiature presenti sugli impianti stessi in varie condizioni di funzionamento.
Successivamente verrà individuato un modello matematico del rumore da introdurre nel simulatore del canale di trasmissione. In base alle misure sperimentali effettuate verranno definiti parametri caratteristici del rumore che possano quantificarne l’intensità e caratterizzarne la tipologia nel dominio del tempo e della frequenza. Verranno utilizzate sia le reti neurali che altre tecniche di identificazione e classificazione (SVM, SOM, ICA, Fuzzy, etc) di cui le UR interessate a questa fase hanno acquisito esperienza per applicazione diverse e che non risultano essere state utilizzate per la classificazione di rumore in impianti elettrici navali dall’analisi della bibliografia corrente.
Altro significativo risultato atteso è la messa a punto di tecniche di inversione che permettono di ridurre le incertezze di interpretazione dovute a errori di misura o di calcolo

GL3 Circuiti di accoppiamento

Risultati parziali attesi
Dopo 5 mesi (Check Point Intermedio 2)
Riunione di coordinamento di tutte le Unità per la presentazione delle attività svolte e programmazione delle attività successive. Riassunto scritto descrittivo della riunione
Dopo 10 mesi (Fine delle attività del GL3)
Relazione descrittiva dell’accoppiatore sviluppato e suo schema


Innovazione e campi applicativi
Lo sviluppo di circuiti di accoppiamento tra i trasmettitori/ricevitori di segnali PLC ed il canale di trasmissione ai fini di massimizzare la potenza al ricevitore è un risultato innovativo in ambito nautico. In genere è molto importante trasferire la massima aliquota possibile al ricevitore limitando ove possibile le perdite di potenza nei componenti del sistema. Dato che non è possibile modificare il canale di trasmissione in cui si inviano i segnali risulta necessario progettare i circuiti di accoppiamento nel modo più efficiente possibile. Come primo risultato si cercherà di ottenere circuiti di accoppiamento con impedenza variabile in frequenza e capace di adattarsi al particolare canale di trasmissione utilizzato in base alla conoscenza della sua risposta in frequenza. Dato che nel progetto di questo sistema PLC è previsto uno stimatore in tempo reale della risposta in frequenza del canale, studiato nel progetto dal GL 4, si cercherà di mettere a punto un accoppiatore in grado di fornire una particolare risposta in frequenza a seconda delle informazioni fornite dallo stimatore del canale all’inizio della trasmissione dati. Il risultato successivo è quello di mettere a punto un sistema di comunicazione tra stimatore ed accoppiatore in modo da potere modificare nel tempo la impedenza dell’accoppiatore. Si cercherà di ottenere accoppiatori a topologia variabile, in cui cioè i valori di alcuni componenti vengono modificati per via elettronica in base a valori misurati di tensione o corrente, in modo da seguire le variazioni nel tempo dell’impedenza del canale di trasmissione. Questi risultati sono assolutamente innovativi in ambito navale.

GL 4 Stimatore del canale

Risultati parziali attesi
Dopo 5 mesi (Check Point Intermedio 2)
Riunione di coordinamento di tutte le Unità per la presentazione delle attività svolte e programmazione delle attività successive. Riassunto scritto descrittivo della riunione
Dopo 10 mesi (Fine delle attività del GL4)
Relazione descrittiva dello stimatore sviluppato e delle simulazioni effettuate


Innovazione e campi applicativi
Sviluppare uno stimatore in grado di seguire le variazioni nel tempo della risposta in frequenza del canale di trasmissione dati è un risultato innovativo per sistemi di comunicazione in impianti elettrici navali
Infatti gli apparecchi utilizzatori di energia elettrica si allacciano e si distaccano dall’impianto di erogazione dell’energia in modo non prevedibile a priori. Questo provoca una forte variabilità nel tempo della risposta in frequenza del canale di trasmissione in cui alcune bande utilizzate per la trasmissione dei dati possono in modo casuale rendersi indisponibili e ridurre così l’efficienza complessiva del sistema. Occorre quindi essere sempre in grado di spostare alcune sottoportanti da un canale frequenziale ad un altro per non diminuire la velocità di trasmissione. Verranno studiate tecniche innovative basate su reti neurali che per massimizzare la velocità di trasmissione dei dati lavorano direttamente sui segnali utili trasmessi. In particolare si considereranno le nonlinearità presenti nel sistema che usualmente vengono trascurate.
L'UR di BA studierà una tecnica completamente diversa dalla precedente e valuterà l'efficacia di stimare le variazione della risposta in frequenza del canale tramite l'invio di appositi segnali pilota. La funzionalità e l'efficienza delle due tecniche verranno valutate tramite simulazioni numeriche sul simulatore di canale messo a punto alla fine della fase 1. Verra poi individuata la possibilità di combinare le due strategia di identificazione al fine di avere la massima velocità ed efficienza di identificazione della variazione della risposta del canale. Verranno definiti alcuni test da effettuare su un impianto reale in modo da verificare sperimentalmente l’efficacia dello stimatore di canale sviluppato.

GL 5 EMC

Risultati parziali attesi
Dopo 5 mesi (Check Point Intermedio 2)
Riunione di coordinamento di tutte le Unità per la presentazione delle attività svolte e programmazione delle attività successive. Riassunto scritto descrittivo della riunione
Dopo 10 mesi (Fine delle attività del GL5)
Relazione descrittiva dei parametri caratterizzanti delle emissioni di campo
Relazione descrittiva delle simulazioni effettuate

Innovazione e campi applicativi
Il risultato di definire parametri legati a segnali condotti che descrivano e quantifichino i campi elettromagnetici emessi dai segnali PLC è innovativo in impianti elettrici navali
Esso riguarda gli aspetti di compatibilità elettromagnetica dei sistemi PLC. Dato che la topologia degli impianti elettrici navali non è standardizzata ma varia da imbarcazione ad imbarcazione è praticamente impossibile prevedere le emissioni di un sistema PLC a prescindere dall’impianto in cui esso agisce. L’aspetto innovativo della ricerca è quello di inserire nel sistema PLC un variatore della potenza di trasmissione dei segnali PLC in modo da controllare i campi radiati all’impianto elettrico in cui i segnali vengono inviati in base a opportuni parametri indicativi delle emissioni prodotte e che dovranno essere misurati durante la fase di inizializzazione del sistema PLC stesso.

GL 6 Ottimizzazione dei segnali
Risultati parziali attesi
Dopo 5 mesi (Check Point Intermedio 2)
Riunione di coordinamento di tutte le Unità per la presentazione delle attività svolte e programmazione delle attività successive. Riassunto scritto descrittivo della riunione
Dopo 10 mesi (Fine delle attività del GL6)
Relazione descrittiva degli algoritmi proposti per ottimizzare il bit-loading

Innovazione e campi applicativi
Ottimizzare la trasmissione su PLC individuando il numero ottimo di bit per sub-carrier, in modo da adattarsi alle proprietà del canale è un risultato innovativo per un impianto elettrico navale.
Nella standardizzazione, infatti non è stato ancora specificato alcun algoritmo per il bit-loading.
Verranno sviluppati ed implementati nuovi algoritmi che consentano di superare i limiti caratteristici degli algoritmi tradizionali. In particolare, sarà sviluppata una nuova formulazione multi-obiettivo del problema, che consenta di prendere in considerazioni gli aspetti che, normalmente, sono trascurati a causa dell’onere computazionale, che un approccio classico comporterebbe.

Tutti i risultati definiti per i GL precedenti concorrono a definire una nuova struttura per un modem innovativo specificatamente progettato per la trasmissione dati in impianti elettrici navali, un modem dedicato a questo proposito a tutt’oggi non è esistente.

GL 7 Prototipo PLC, simulazione e sperimentazione

Risultati parziali attesi
Dopo 4 mesi (Check Point Intermedio 3)
Riunione di coordinamento di tutte le Unità per la discussione sulle attività in corso e programmazione delle attività successive. Riassunto scritto descrittivo della riunione
Dopo 6 mesi (Fine delle attività del GL7)
Relazione descrittiva delle prove sperimentali effettuate

Innovazione e campi applicativi
Verrà implementato un unico simulatore del sistema di trasmissione PLC per l’ottimizzazione di un prototipo di laboratorio. Questo prototipo comanderà un generatore di forma d’onda arbitraria, collegato ad un circuito di accoppiamento, che invierà segnali nel canale di trasmissione verso un sistema di ricezione formato da un corrispondente circuito d’accoppiamento ed una scheda di acquisizione collegata ad un altro PC per le demodulazione dei dati. Una volta terminata la messa a punto in laboratorio comincerà la fase sperimentale conclusiva del progetto. Il prototipo verrà testato a bordo di imbarcazioni in cantiere messe a disposizione da Benetti Yachts per una prima verifica dell’efficienza del sistema e per valutare eventuali modifiche da apportare.
Il progetto si concluderà con le prove in condizione operative di funzionamento di un impianto elettrico navale durante uscite a mare di imbarcazioni messe a disposizione da Benetti Yachts .

Brevettualità
Ovviamente in caso di conclusione positiva della ricerca si renderà possibile brevettare il modem ideato e sviluppato durante il progetto. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La trasmissione di segnali per il comando e controllo di dispositivi elettronici ed elettromeccanici in linee di trasmissione per l’energia elettrica viene effettuata da molti anni dai gestori della fornitura di energia elettrica. Ad esempio, recentemente l’ENEL in Italia è stata una delle prime aziende europee ad avere ha installato un nuovo tipo di contatori attivi che sfruttando le tecniche PLC possono fornire servizi energetici innovativi in previsione della liberalizzazione del mercato di erogazione dell’energia elettrica
Negli ultimi anni, in tutto il mondo ci sono stati grossi investimenti da parte di aziende private nella realizzazione di modem capaci di fornire segnali a banda larga attraverso i cavi dell’energia elettrica negli edifici residenziali ad uso sia di privati cittadini che di aziende. Sono ormai in commercio dispositivi che raggiungono mediamente velocità effettive di trasmissione di circa 30 Mbit/sec in impianti elettrici residenziali in bassa tensione. Di conseguenza sono ormai numerose le esperienze di aziende che hanno realizzato fornitura di servizi a banda larga sia in interi quartieri di città ad elevata densità abitativa che per interi paesi situati in aree rurali.
Al di là delle significative potenzialità di questa tecnologia esiste ancora un certo scetticismo sulla possibilità di aumentare ulteriormente le velocità di trasmissione raggiunte ad oggi (come probabilmente verrà richiesto in un mercato dove ci sarà sempre maggior richiesta di “banda”) e sulla sua reale convenienza commerciale a confronto delle altre tecnologie disponibili (xDSL, Wi-Max, etc. etc.). Tra le problematiche tecniche ancora oggetto di studio che possono incidere su queste valutazioni si possono evidenziare principalmente la complessità del canale di trasmissione, che risulta selettivo in frequenza, tempo variante e sede di rumore stazionario e impulsivo; e la presenza di normative che limitino la potenza dei segnali trasmessi (per problemi di compatibilità elettromagnetica).
Tuttavia le velocità di trasmissione attualmente raggiunte hanno moltiplicato le possibili applicazioni che ormai svariano dall’accesso ad Internet, alle reti locali di calcolatori, alle comunicazioni a bordo di veicoli.
Tra queste una delle più recenti e promettenti è certamente l’utilizzazione di tecniche PLC a bordo di veicoli. Infatti nei sistemi di trasporto moderni, treni, aerei, automobili e navi è sempre più massiccia la presenza di apparecchiature elettroniche per il controllo evoluto della movimentazione del mezzo (si pensi per esempio ai sistemi di stabilità e frenaggio delle automobili, aerei e navi) ed anche per l’intrattenimento dei passeggeri (ad esempio trasmissioni video in aereo o nave). Attualmente la soluzione utilizzata per il comando di questi dispositivi elettronici o elettromeccanici è quella di installare un cavo dedicato per ognuno di essi. Quindi si hanno ormai decine e decine di cavi dislocati per centinaia di metri a bordo di questi veicoli. Conseguentemente la complessità del cablaggio di questi cavi oltre al loro peso ed ingombro è diventato un problema rilevante del design di questi veicoli dato che è sempre più importante riservare la maggior parte possibile di spazio ai passeggeri.
Utililzzare il cavo di trasmissione dell’energia elettrica comporterebbe quindi una eliminazione di questo problema, in quanto si eliminerebbero tutti i cavi per comando e controllo attualmente utilizzati con enormi vantaggi in termini di semplificazione del cablaggio dei cavi e di risparmio di ingombri e pesi.
Dato che tutti i sistemi PLC utilizzano come canale di comunicazione le linee di trasmissione dell’energia elettrica, le problematiche che la loro realizzazione incontra nei diversi tipi di impianti elettrici sono simii ed in genere legate alle seguenti tematiche:
1. Individuazione dei circuiti che accoppino nel modo più efficiente i segnali da trasmettere con il mezzo di trasmissione
2. Individuazione di tecniche per la riduzione dei campi elettromagnetici nell’ambiente circostante
3. Stima delle variazione del canale di trasmissione ai fini di avere la massima velocità possibile di trasferimento dati
4. Classificazione del rumore presente nel canale
5. Ottimizzazione dei bits nei segnali trasmessi
Ognuna di queste tematiche può essere associata ad un aspetto di un sistema PLC che richiede competenze specifiche e tecniche di analisi dedicate che normalmente sono approfondibili da gruppi di lavoro che hanno conoscenze diversificate come ad esempio la teoria dei circuiti, l’identificazione e classificazione dei segnali e la compatibilità elettromagnetica. Per ogni tematica vi sono poi problematiche specifiche su cui i diversi ricercatori si stanno confrontando ai fini di migliorare sempre di più le prestazioni dei singoli componenti e quindi anche quelle del sistema nel suo insieme.
Nella tematica 1 si cerca di determinare i circuiti di accoppiamento che consentano di massimizzare il trasferimento di potenza dal trasmettitore al ricevitore secondo il ben noto principio dell’adattamento di impedenza [1]-[3]. Ci sono alcuni problemi che rendono complessa la determinazione di questi accoppiatori, tra questi i principali sono: l’impedenza vista dal trasmettitore non è nota a priori, il suo valore dipende dalla frequenza a cui vengono trasmessi i segnali e dall’istante in cui questi vengono trasmessi, ovvero è un parametro che dipende dalla frequenza e dal tempo oltre che dal particolare cavo presente nell’impianto elettrico usato. Tra gli esempi più recenti di accoppiatori adattati si possono segnalare quelli a topologia variabile, in cui cioè i valori di alcuni componenti vengono modificati per via elettronica in base a valori misurati di tensione o corrente, in modo da seguire le variazioni nel tempo dell’impedenza del canale di trasmissione. Fino ad oggi tuttavia si è cercato di soddisfare le variazioni nel tempo o nella frequenza ma ancora non si è ancora riusciti a seguire le due cose contemporaneamente.
La tematica 2 riguarda gli aspetti di compatibilità elettromagnetica dei sistemi PLC [4]-[6]. Le linee di trasmissione di energia elettrica essendo non schermate possono essere potenziali sorgenti di interferenze con altri dispositivi e con il corpo umano come anche essere vittime di campi elettromagnetici provenienti dall’esterno. Per stimare le emissioni elettromagnetiche dovute ai segnali PLC normalmente si cerca di individuare dei parametri legati alla potenza dei segnali elettrici trasmessi, dato che la topologia degli impianti elettrici in un edificio è imprevedibile ovvero varia da edificio ad edificio e non può essere standardizzata. L’intensità dei campi emessi è inoltre legata anche al tipo di modulazione usata, quindi il problema è molto complesso. Ad oggi sono stati proposte tecniche estremamente semplificate per la valutazione dei campi emessi, basate su misure di campo in cavi ipotizzati come conduttori infiniti alla stregua delle linee di alta tensione in zone rurali, oppure si è cercato di valutare solo qualitativamente le possibili emissioni tramite le cosiddette correnti di modo comune e di modo differenziale.
Nella tematica 3 si affronta il problema della stima delle variazione nel tempo della risposta in frequenza del canale di trasmissione [7]-[9]. La forte variabilità nel tempo del canale di trasmissione infatti può notevolmente ridurre l’efficienza del sistema in quanto alcune bande utilizzate per la trasmissione possono in modo casuale rendersi indisponibili. Occorre quindi essere sempre in grado di spostare alcune sottoportanti da un canale frequenziale ad un altro per non dimunuire la velocità di trasmissione. Le tecniche più consolidate per questo scopo si basano sull’invio periodico di segnali “pilota” ovvero con caratteristiche note, e dalla loro ricezione in base a cui si riesce a ricostruire la risposta in frequenza tramite tecniche di interpolazione o stime basate sul minimo errore quadratico medio. Recentemente sono state anche proposte tecniche basate su reti neurali che per massimizzare le velocità di trasmissione non richiedono segnali pilota, ma lavorano direttamente sui segnali utili trasmessi.
La tematica 4 è una classica tematica di individuazione e classificazione del rumore presente nelle linee di trasmissione per l’energia [10]-[12]. La conoscenza del rumore presente è un requisito fondamentale per aumentare l’efficienza del sistema di trasmissione. Tipicamente il rumore presente in un sistema PLC è non-gaussiano, e quindi la sua conoscenza e classificazione può contribuire notevoamente a migliorare il sistema. I diversi modelli proposti si possono suddividere in due tipi, quelli semplificati di tipo stazionario basati su una funzione di densità di probabilità, come quella di Middleton, oppure quelli più realistici di tipo non stazionario in cui si classifica il rumore in base al suo andamento nel dominio del tempo oppure tecniche recenti in cui si utilizzano catene di Markov o fuzzy-sets.
Nella tematica 5 si affronta il problema di ottimizzare la allocazione della quantità di bit da associare alle diverse portanti con cui viene modulato il segnale, il cosiddetto “bit-loading” [13]-[15]. Sostanzialmente si possono individuare due categorie di algoritmi per il “bit-loading”, quelli più semplici, detti non-adattivi, dove si cerca di minimizzare l’errore complessivo uniformando la potenza tra le portanti, e quelli più complessi, che utilizzano algoritmi e codifiche più robuste al rumore, o di tipo adattivo in cui invece si redistribuisce dinamicamente la potenza tra le portanti utilizzate in base alla stima del canale stesso. La ricerca di un ragionevole compromesso tra la complessità di calcolo che riduce la velocità complessiva di trasmissione e l’efficienza del sistema di trasmissione è in questo ambito uno dei principale motivi di investigazione.
La comunità scientifica che opera in questo ambito si riunisce in una conferenza specificatamente dedicata a questi aspetti denominata International Symposium on PowerLine Communications (ISPLC) ed a testimonianza del crescente interesse su questo argomento dal 2005 la IEEE ha creato un Technical Committee on PLC ed è divenuta sponsor e promotrice ufficiale della conferenza stessa.
Le applicazioni di sistemi PLC a bordo di veicoli sono state oggetto di indagine solamente negli ultimi anni. Il veicolo maggiormente studiato per trasmissioni ad onde convogliate è stata l’automobile [16]-[17], e sono usciti anche alcuni brevetti [18]-[19] specifici per PLC in auto a conferma del rilevante interesse industriale in questo ambito.
Purtoppo ogni tipologia di veicolo ha un impianto di erogazione dell’energia elettrica con caratteristiche diverse a seconda dei diversi requisiti da soddisfare nei diversi tipi di veicolo, quindi benchè le problematiche generali precedentemente elencate siano comuni a tutte le applicazioni PLC, in realtà esse devono essere di volta in volta adattate al particolare tipo di impianto elettrico in esame e quindi rielaborate a seconda della tipologia di veicolo.
Caratteristiche distintive di un impianto elettrico navale sono il fatto che è un sistema isolato, che ha il neutro isolato (a differenza degli impianti terrestri che hanno quasi sempre il neutro collegato a terra), che trasmette grandi quantitativi di di energia con livelli bassi di tensione per motivi di sicurezza (onde evitare contatti accidentali con i passeggeri), che ha tutta una serie di utilizzatori elettromeccanici che sono presenti solo nelle imbarcazioni (ad esempio le eliche) e quindi possono essere sorgenti di disturbi e rumore tipico delle sole applicazioni navali.
In ambito navale sono state pubblicati pochissimi risultati di studi o esperienze effettuate [20]-[22], e tutte riportano semplici misure effettuate a bordo di alcuni tipi di imbarcazioni (navi da crociera, militari e per trasporto merci) mentre mancano completamente studi teorico-sperimentale ben strutturati per ottenere una soluzione ottimizzata in ambiente nautico. Tuttavia a conferma del reale interesse in ambito industriale tra gli autori di quegli articoli sono sempre presenti anche dipendenti di aziende marittime. Si può quindi dedurre che la tecnologia PLC sia estremamente innovativa ed abbia importanti ricadute tecnologiche in ambito navale.

[1] A simple line coupler with adaptive impedance matching for Power line Communication, W. Choi, C. Park , ISPLC 2007
[2] A versatile low power PowerLine FSK transceiver, R. Cappelletti, A Baschirotto, IEEE Custom integrated circuits Conference, 2000
[3] ADAPT: mixed-signal ASIC for Impedance adaptation in PowerLine Communications using fuzzy logic, F. Munoz, R.G. Carvajal, A. Torralba, L.G. Freanquelo, Proceedings of the 25th IEEE Conference IECON’99
[4] Derivation of the extrapolation factor for PLC radiation measurements M. H. Hirsch, M. Heina, ISPLC 2007
[5] Common mode Current and radiations mechanisms in PLC networks P. Favre, C. Candolfi, P. Kraehenbuehl, M. Schneider, M. Rubinstein, A. Vukicevic, ISPLC 2007
[6] The Correlation between Radiated Emissions and Power Line Network Components on Indoor Power Line Communications, M. Ishihara, D. Umehara, Y. Morihiro, ISPLC 2007
[7] Blind Channel Estimation for Power-line Communications by a Kohonen Neural Network, M. Tucci, M. Raugi, A. Musolino, S. Barmada , ISPLC 2007
[8]Y. Li, L. J. Cimini and N. R. Sollenberger, “Robust Channel Estimation for OFDM Systems with Rapid Dispersive Fading Channels,” IEEE Trans. on Communications, Vol. 46, No. 7, July 1998, pp. 902¬915.
[9]M. Hsieh and C. Wei, “Channel Estimation for OFDM Systems Based on Comb-Type Pilot Arrangement in Frequency Selective Fading Channels,” IEEE Trans. on Consumer Electronics, Vol. 44, No. 1, Feb. 1998, pp. 217-225.
[10] A mathematical model of noise in NarrowBand PowerLine Communication Systems, M. Katayama, T. Yamazato, H. Okada, IEEE J. in Selected Areas in Communications, July 2006, pp 1267-1277
[11] M. Zimmermann, K. Dostert, “Analysis and modeling of impulsive noise in broad-band powerline communications”, Electromagnetic Compatibility, IEEE Trans. on Vol. 44, Issue 1, Feb. 2002 Page(s):249 – 258
[12] N. Suljanovic, A. Mujcic, M. Zajc, J.F. Tasic, “Computation of highfrequency and time characteristics of corona noise on HV power line”, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 20, No. 1, Jan. 2005 Page(s): 71 – 79
[13] Bit-Transport Capability of Broadband Multicarrier Power Line Channels constrained by radiated Emission, M. D’Amore, M. Sarto, E. Baccarelli M. Biagi, ISPLC 2007
[14] S. Morosi, D. Marabissi, E. Del Re, R. Fantacci and N. Del Santo, “A rate adaptive bit-loading algorithm for in-building power-line communications based on DMT-modulated systems,” IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 21, pp. 1892-1897, Oct. 2006.
[15] B. S. Krongold, K. Ramchandran and D. L. Jones, “Computationally effi-cient optimal power allocation algorithms for multicarrier communication systems,” IEEE Trans. on Comm., vol. 48, pp. 23-27, Jan. 2000.
[16] Performances of the HomePlug PHY layer in the context of in-vehicle powerline communications V. Degardin; M. Lienard; P. Degauque; P. Laly, ISPLC 2007
[17] Tutorial about the implementation of a vehicular high speed communication system T Huck, J Schirmer, T Hogenmuller, K Dostert, ISPLC 2005
[18] Supply line structure for transmitting information between motor-vehicle components T Enders, R Hugel, J Schirmer, F Stiegler, 2003 freepatentsonline.com
[19] Broadband data services over vehicle power lines -
A Whelan, 2005 freepatentsonline.com
[20] Characteristics of Power-Line Channels in Cargo Ships S. Tsuzuki, M. Yoshida, Y. Yamada, H. Kawasaki, K. Murai, K. Matsuyama, M. Suzuki.
[21] Powerline communication over special systems E Liu, Y Gao, G Samdani, O Mukhtar, T Korhonen –ISPLC 2005
[22] Point to Point Multi-media Transmission for Marine Application, J.Yazdani, M.Scott, B. Honary, ISPLC 2002 <<<